Урок 11 Нуклеиновые кислоты

Урок 11 Нуклеиновые кислоты
1. Нуклеиновые кислоты, их содержание в клетке, размеры молекул и
молекулярная масса
Нуклеиновые кислоты – природные высокомолекулярные органические
соединения, полинуклеотиды, обеспечивающие хранение и передачу
наследственной (генетической) информации в живых организмах.
Эти органические соединения были открыты в 1869 г. швейцарским врачом
И.Ф. Мишером в клетках, богатых ядерным материалом (лейкоцитах,
сперматозоидах лосося). Нуклеиновые кислоты являются составной частью
клеточных ядер, поэтому они и получили такое название (от лат. nucleus –
ядро). Помимо ядра нуклеиновые кислоты встречаются также в цитоплазме,
центриолях, митохондриях, хлоропластах.
В природе существуют нуклеиновые кислоты двух типов:
дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК). Они
различаются по составу, строению и функциям. ДНК имеет двухцепочечную
молекулу, а РНК – одноцепочечную.
Нуклеиновые кислоты – биополимеры, достигающие огромных размеров.
Длина их молекул равна сотням тысяч нанометров (1 нм = 10–9 м), это в
тысячи раз больше длины белковых молекул. Особенно велика молекула
ДНК. Молекулярная масса нуклеиновых кислот достигает десятков
миллионов и миллиардов (105–109). Например, масса ДНК кишечной палочки
равна 2,5x109, а в ядре половой клетки человека (гаплоидный набор
хромосом) длина молекул ДНК составляет 102 см.
2. НК – непериодические полимеры. Типы нуклеотидов и их строение
Нуклеиновые кислоты – непериодические биополимеры, полимерные цепи
которых образованы мономерами, называемыми нуклеотидами. В молекулах
ДНК и РНК содержится по четыре типа нуклеотидов.
Состав нуклеотидов ДНК и РНК
Дезоксирибонуклеотиды
Рибонуклеотиды
Адениловый
Гуаниловый
Тимидиловый
Цитозиловый
Адениловый
Гуаниловый
Уридиловый
Цитозиловый
(А)
(Г)
(Т)
(Ц)
(А)
(Г)
(У)
(Ц)
Рассмотрим строение нуклеотида. Нуклеотиды – сложные органические
соединения, включающие в себя три компонента.
В составе дезоксирибонуклеотидов обнаруживаются пиримидиновые
основания тимин и цитозин,
а
в
составе
рибонуклеотидов
–
цитозин и урацил. Аденин и гуанин входят в состав нуклеотидов как ДНК,
так и РНК.
По содержащемуся азотистому основанию нуклеотиды и получили свое
название. Например, нуклеотид, содержащий азотистое основание тимин
называется тимидиловым, урацил – уридиловым и т.д. Азотистые
основания и нуклеотиды в целом принято обозначать заглавными русскими
или латинскими начальными буквами.
В составе нуклеотидов ДНК содержится пентоза – дезоксирибоза, а в
составе нуклеотидов РНК – рибоза.
Фосфат придает нуклеиновым кислотам кислые свойства.
3. Соединение нуклеотидов в цепь
Нуклеотиды соединяются между собой в ходе реакции конденсации. Цепь
последовательно расположенных нуклеотидов составляет первичную
структуру ДНК.
Если в составе полинуклеотида, образованного четырьмя типами
нуклеотидов, 1000 звеньев, то количество возможных вариантов его состава
41000 (это цифра с 6 тыс. нулей). Поэтому всего четыре типа нуклеотидов
могут обеспечить огромное разнообразие нуклеиновых кислот и той
информации, которая содержится в них.
 Нуклеотиды расположены друг от друга на расстоянии 0,34 нм,
 На один виток спирали их приходится 10.
 Диаметр молекулы ДНК составляет около 2 нм.
Д.Уотсон и Ф.Крик установили, что две полинуклеотидные цепи ДНК
закручены вокруг друг друга и вокруг общей оси. Цепи ДНК –
антипараллельны (представьте себе двух змей скрутившихся в спираль, –
голова одной к хвосту другой). Спираль обычно закручена вправо, но есть
случаи образования и левой спирали.
4. Правила Чаргаффа. Сущность принципа комплементарности
Еще до открытия Уотсона и Крика, в 1950 г. австралийский биохимик Эдвин
Чаргафф установил, что в ДНК любого организма количество адениловых
нуклеотидов равно количеству тимидиловых, а количество гуаниловых
нуклеотидов равно количеству цитозиловых нуклеотидов (А=Т, Г=Ц),
или суммарное количество пуриновых азотистых оснований равно
суммарному количеству пиримидиновых азотистых оснований
(А+Г=Ц+Т). Эти закономерности получили название «правила
Чаргаффа».
Образование водородных связей между комплементарными азотистыми
основаниями
Между аденином и тимином возникают две водородные связи (А=Т), а
между гуанином и цитозином – три (Г=Ц).
Из всего выше сказанного вытекает, что, зная последовательность
нуклеотидов в одной спирали, можно выяснить порядок следования
нуклеотидов на другой спирали.
Двойная комплементарная цепь составляет вторичную структуру ДНК.
Спиральная форма ДНК является ее третичной структурой.
5. РНК и ее значение
Основу жизни образуют белки. Функции их в клетке очень разнообразны.
Однако белки «не умеют» размножаться. А вся информация о строении
белков содержится в генах (ДНК).
У высших организмов белки синтезируются в цитоплазме клетки, а
ДНК сокрыта за оболочкой ядра. Поэтому ДНК непосредственно не
может быть матрицей для синтеза белка. Эту роль выполняет другая
нуклеиновая кислота – РНК.
РНК принадлежит главная
наследственной информации.
роль
в
передаче
и
реализации
В соответствии с функцией и структурными особенностями различают
несколько классов клеточных РНК.
6. Отличия молекул ДНК и РНК
Признаки
ДНК
РНК
сравнения
Расположение в Ядро,
клетке
хлоропласты
митохондрии, Ядро,
рибосомы,
центриоли, цитоплазма,
митохондрии
и
хлоропласты
Строение
Двойной
неразветвленный Одинарная
макромолекулы линейный полимер, свернутый полинуклеотидная цепь
в спираль
Мономеры
Дезоксирибонуклеотиды
Рибонуклеотиды
Состав
нуклеотидов
Пуриновые (аденин, гуанин) и
пиримидиновые
(тимин,
цитозин) азотистые основания;
дезоксирибоза (С5); остаток
фосфорной кислоты
Пуриновые
(аденин,
гуанин)
и
пиримидиновые (урацил,
цитозин)
азотистые
основания; рибоза (С5);
остаток
фосфорной
кислоты
Функции
Хранитель
информации
наследственной Посредник в реализации
генетической
информации
7. Репликация ДНК
Одним из уникальных свойств молекулы ДНК является ее способность
к самоудвоению – воспроизведению точных копий исходной молекулы.
Благодаря этому осуществляется передача наследственной информации
от материнской клетки дочерним во время деления. Процесс
самоудвоения молекулы ДНК называется репликацией (редупликацией).
В результате репликации образуются две двойные «дочерние» спирали,
каждая из которых сохраняет (консервирует) в неизменном виде одну из
половин исходной «материнской» ДНК. Вторые цепи «дочерних» молекул
синтезируются из нуклеотидов заново. Это получило название
полуконсервативности ДНК.
8. Синтез РНК в клетке
Считывание РНК с матрицы ДНК называется транскрипцией (от
лат. transcriptio – переписывание). Транскрипция также является примером
реакции матричного синтеза. Цепочка РНК очень похожа на цепочку ДНК:
также состоит из нуклеотидов (рибонуклеотидов, весьма похожи на
дезоксирибонуклеотиды). РНК считывается с участка ДНК, в котором она
закодирована, в соответствии с принципом комплементарности: напротив
аденина ДНК становится урацил РНК, напротив гуанина – цитозин, напротив
тимина – аденин и напротив цитозина – гуанин.
Примеры решения задач по молекулярной биологии
Задача. Молекула ДНК состоит из двух цепей – основной, на которой
синтезируется иРНК, и комплементарной. Запишите порядок нуклеотидов в
синтезируемой иРНК, если порядок следования нуклеотидов в основной
(рабочей) цепи ДНК следующий: Ц-Г-Ц-Т-Г-А-Т-А-Г.
Решение
Пользуясь
принципом
комплементарности,
определяем
порядок
расположения нуклеотидов в иРНК, синтезируемой по рабочей цепи ДНК: ГЦ-Г-А-Ц-У-А-У-Ц.
Ответ: Г-Ц-Г-А-Ц-У-А-У-Ц
Задача. Химический анализ показал, что 28% от общего числа нуклеотидов
данной иРНК приходится на аденин, 6% – на гуанин, 40% – на урацил. Каков
должен
быть
нуклеотидный
состав
соответствующего
участка
двухцепочечной ДНК, информация с которого «переписана» данной иРНК?
Решение
1. Зная, что цепь молекулы РНК и рабочая цепь молекулы ДНК
комплементарны друг другу, определяем содержание нуклеотидов (в %) в
рабочей цепи ДНК:



в цепи иРНК Г=6%, значит в рабочей цепи ДНК Ц=6%;
в цепи иРНК А=28%, значит в рабочей цепи ДНК Т=28%;
в цепи иРНК У =40%, значит в рабочей цепи ДНК А=40%;
2. Определяем содержание в цепи иРНК (в %) цитозина.



суммируем содержание трех других типов нуклеотидов в цепи иРНК:
6% + 28% + +40% = 74% (Г+А+У);
определяем долю цитозина в цепи иРНК: 100% – 74% = 26% (Ц);
если в цепи иРНК Ц=26%, тогда в рабочей цепи ДНК Г=26%.
Ответ: Ц=6%; Т=28%; А=40%; Г=26%
Задача. На фрагменте одной цепи ДНК нуклеотиды расположены в
последовательности:
А-А-Г-Т-Ц-Т-А-А-Ц-Г-Т-А-Т.
Нарисуйте
схему
структуры двухцепочечной молекулы ДНК. Какова длина этого фрагмента
ДНК? Сколько (в %) содержится нуклеотидов в этой цепи ДНК?
Решение
1. По принципу комплементарности выстраивает вторую цепь данной
молекулы ДНК: Т-Т-Ц-А-Г-А-Т-Т-Г-Ц-А-Т-А.
2. Зная длину одного нуклеотида (0,34 нм) определяем длину данного
фрагмента ДНК (в ДНК длина одной цепи равна длине всей молекулы):
13х0,34 = 4,42 нм.
3. Рассчитываем процентное содержание нуклеотидов в данной цепи ДНК:
13 нуклеотидов – 100%
5 А – х%, х=38% (А).
2 Г – х%, х=15,5% (Г).
4 Т – х%, х=31% (Т).
2 Ц – х%, х=15,5% (Ц).
Ответ: Т-Т-Ц-А-Г-А-Т-Т-Г-Ц-А-Т-А; 4,42 нм; А=38; Т=31%; Г=15,5%;
Ц=15,5%.
Задача. В лаборатории исследован участок одной из цепочек молекулы ДНК.
Оказалось, что он состоит из 20 мономеров, которые расположены в такой
последовательности:
Г-Т-Г-Т-А-А-Ц-Г-А-Ц-Ц-Г-А-Т-А-Ц-Т-Г-Т-А.
Что можно сказать о строении соответствующего участка второй цепочки той
же молекулы ДНК?
Решение
Зная, что цепи молекулы ДНК комплементарны друг другу, определим
последовательность нуклеотидов второй цепи той же молекулы ДНК: Ц-А-ЦА-Т-Т-Г-Ц-Т-Г-Г-Ц-Т-А-Т-Г-А-Ц-А-Т.
Задача. На фрагменте одной цепи ДНК нуклеотиды расположены в
последовательности: А-А-Г-Т-Ц-Т-А-Ц-Г-Т-А-Т...
1. Нарисуйте схему структуры второй цепи данной молекулы ДНК.
2. Какова длина в нм этого фрагмента ДНК, если один нуклеотид занимает
около
0,34
нм?
3. Сколько (в %) содержится нуклеотидов в этом фрагменте молекулы ДНК?
Решение
1. Достраиваем вторую цепь данного фрагмента молекулы ДНК, пользуясь
правилом комплементарности: Т-Т-Ц-А-Г-А-Т-Г-Ц-А-Т-А.
2. Определяем длину данного фрагмента ДНК: 12х0,34=4,08 нм.
3. Рассчитываем процентное содержание нуклеотидов в этом фрагменте
ДНК.
24 нуклеотида – 100%
8А – х%, отсюда х=33,3%(А);
т.к. по правилу Чаргаффа А=Т, значит содержание Т=33,3%;
24 нуклеотида – 100%
4Г – х%, отсюда х=16,7%(Г);
т.к. по правилу Чаргаффа Г=Ц, значит содержание Ц=16,6%.
Ответ: Т-Т-Ц-А-Г-А-Т-Г-Ц-А-Т-А; 4,08 нм; А=Т=33, 3%; Г=Ц=16,7%
Задача. Каков будет состав второй цепочки ДНК, если первая содержит 18%
гуанина, 30% аденина и 20% тимина?
Решение
1. Зная, что цепи молекулы ДНК комплементарны друг другу, определяем
содержание нуклеотидов (в %) во второй цепи:
т.к. в первой цепи Г=18%, значит во второй цепи Ц=18%;
т.к. в первой цепи А=30%, значит во второй цепи Т=30%;
т.к. в первой цепи Т=20%, значит во второй цепи А=20%;
2. Определяем содержание в первой цепи цитозина (в %).

суммируем содержание трех других типов нуклеотидов в первой цепи
ДНК: 18% + 30% + 20% = 68% (Г+А+Т);

определяем долю цитозина в первой цепи ДНК: 100% – 68% = 32% (Ц);

если в первой цепи Ц=32%, тогда во второй цепи Г=32%.
Ответ: Ц=18%; Т=30%; A=20%; Г=32%
Задача. В молекуле ДНК насчитывается 23% адениловых нуклеотидов от
общего числа нуклеотидов. Определите количество тимидиловых и
цитозиловых нуклеотидов.
Решение
1. По правилу Чаргаффа находим содержание тимидиловых нуклеотидов в
данной молекуле ДНК: А=Т=23%.
2. Находим сумму (в %) содержания адениловых и тимидиловых
нуклеотидов в данной молекуле ДНК: 23% + 23% = 46%.
3. Находим сумму (в %) содержания гуаниловых и цитозиловых нуклеотидов
в данной молекуле ДНК: 100% – 46% = 54%.
4. По правилу Чаргаффа, в молекуле ДНК Г=Ц, в сумме на их долю
приходится 54%, а по отдельности: 54% : 2 = 27%.
Ответ: Т=23%; Ц=27%
Задача. Дана молекула ДНК с относительной молекулярной массой 69 тыс.,
из них 8625 приходится на долю адениловых нуклеотидов. Относительная
молекулярная масса одного нуклеотида в среднем 345. Сколько содержится
нуклеотидов по отдельности в данной ДНК? Какова длина ее молекулы?
Решение
1. Определяем, сколько адениловых нуклеотидов в данной молекуле ДНК:
8625 : 345 = 25.
2. По правилу Чаргаффа, А=Г, т.е. в данной молекуле ДНК А=Т=25.
3. Определяем, сколько приходится от общей молекулярной массы данной
ДНК на долю гуаниловых нуклеотидов: 69 000 – (8625х2) = 51 750.
4. Определяем суммарное количество гуаниловых и цитозиловых
нуклеотидов в данной ДНК: 51 750:345=150.
5. Определяем содержание гуаниловых и цитозиловых нуклеотидов по
отдельности: 150:2 = 75;
6. Определяем длину данной молекулы ДНК: (25 + 75) х 0,34 = 34 нм.
Ответ: А=Т=25; Г=Ц=75; 34 нм.
Задача. По мнению некоторых ученых общая длина всех молекул ДНК в
ядре одной половой клетки человека составляет около 102 см. Сколько всего
пар нуклеотидов содержится в ДНК одной клетки (1 нм = 10–6 мм)?
Решение
1. Переводим сантиметры в миллиметры и нанометры: 102 см = 1020 мм =
1 020 000 000
нм.
2. Зная длину одного нуклеотида (0,34 нм), определяем количество пар
нуклеотидов, содержащихся в молекулах ДНК гаметы человека: (102 х 107) :
0,34 = 3 х 109 пар.
Ответ: 3х109 пар.
Домашнее задание
1. Выучить конспект
2. Решить задачи
Вариант 1
1. Даны фрагменты одной цепи молекулы ДНК: Ц-А-А-А-Т-Т-Г-Г-А-ЦГ-Г-Г. Определите содержание (в %) каждого вида нуклеотидов и
длину данного фрагмента молекулы ДНК.
2. В молекуле ДНК обнаружено 880 гуаниловых нуклеотидов, которые
составляют 22% от общего количества нуклеотидов этой ДНК?
Определите, сколько содержится других нуклеотидов (по отдельности)
в этой молекуле ДНК. Какова длина этой ДНК?
Вариант 2
1. Даны фрагменты одной цепи молекулы ДНК: А-Г-Ц-Ц-Г-Г-Г-А-А-ТТ-А. Определите содержание (в %) каждого вида нуклеотидов и длину
данного фрагмента молекулы ДНК.
2. В молекуле ДНК обнаружено 250 тимидиловых нуклеотидов,
которые составляют 22,5% от общего количества нуклеотидов этой
ДНК. Определите, сколько содержится других нуклеотидов (по
отдельности) в этой молекуле ДНК. Какова длина этой ДНК?
3. Распределить тезисы по вариантам. Вариант 1 – ДНК; вариант 2
– РНК.
1. Одноцепочечная молекула.
2. Двухцепочечная молекула.
3. Содержит аденин, урацил, гуанин, цитозин.
4. Содержит аденин, тимин, гуанин, цитозин.
5. В состав нуклеотидов входит рибоза.
6. В состав нуклеотидов входит дезоксирибоза.
7. Содержится в ядре, хлоропластах, митохондриях, центриолях, рибосомах,
цитоплазме.
8. Содержится в ядре, хлоропластах, митохондриях.
9. Участвует в хранении, воспроизведении и передаче наследственной
информации.
10. Участвует в передаче наследственной информации.